Цистатионин бета-синтаза - Cystathionine beta synthase
Цистатионина-β-синтазы , также известный как CBS , является ферментом ( ЕС 4.2.1.22 ) , что в организме человека кодируется CBS гена . Он катализирует первую стадию пути транссульфурации от гомоцистеина к цистатионину :
- L -серин + L- гомоцистеин L- цистатионин + H 2 O
CBS использует кофактор пиридоксаль-фосфат (PLP) и может аллостерически регулироваться эффекторами, такими как вездесущий кофактор S-аденозил-L-метионин (adoMet). Этот фермент принадлежит к семейству лиаз , а именно к гидролазам, которые расщепляют углерод-кислородные связи.
CBS представляет собой мультидоменный фермент, состоящий из N-концевого ферментативного домена и двух доменов CBS . Ген CBS является наиболее частым локусом мутаций, связанных с гомоцистинурией .
Номенклатура
Систематическое название данного фермента класса L-серин гидро-лиазы (добавление гомоцистеина, L-цистатионин образующих). Другие широко используемые имена включают:
- бета-тионаза,
- цистеинсинтаза,
- L-серин гидролаза (добавление гомоцистеина),
- метилцистеинсинтаза,
- серинсульфгидраза и
- серинсульфгидрилаза.
Methylcysteine синтазы был присвоен номер EC EC 4.2.1.23 в 1961 году Побочной реакции CBS это вызвано. Номер ЕС EC 4.2.1.23 был удален в 1972 году.
Состав
Человеческий фермент цистатионин-β-синтаза представляет собой тетрамер и включает 551 аминокислоту с субъединичной молекулярной массой 61 кДа. Он отображает модульную организацию из трех модулей с N-концевым гемовым доменом, за которым следует ядро, содержащее кофактор PLP . Кофактор находится глубоко в гемовом домене и связан основанием Шиффа. Основание Шиффа представляет собой функциональную группу , содержащую C = N связь с атомом азота , соединенного с арилом или алкильной группой. Домен гема состоит из 70 аминокислот, и, по-видимому, гем существует только в CBS млекопитающих и отсутствует в CBS дрожжей и простейших . На С-конце регуляторный домен CBS содержит тандемный повтор двух CBS-доменов β-α-β-β-α, мотива вторичной структуры, обнаруженного в других белках. CBS имеет С-концевой ингибирующий домен. С-концевой домен цистатионин-β-синтазы регулирует ее активность посредством как интрастерических, так и аллостерических эффектов и важен для поддержания тетрамерного состояния белка. Это ингибирование облегчается связыванием аллостерического эффектора adoMet или делецией регуляторного домена; однако масштабы эффектов различаются. Мутации в этой области коррелируют с наследственными заболеваниями .
Домен гема содержит N-концевую петлю, которая связывает гем и обеспечивает аксиальные лиганды C52 и H65. Расстояние гема от сайта связывания PLP предполагает, что он не играет роли в катализе, однако удаление гемового домена вызывает потерю окислительно-восстановительной чувствительности, поэтому предполагается, что гем является окислительно-восстановительным сенсором. Присутствие протопорфирина IX в CBS является уникальным PLP-зависимым ферментом и обнаруживается только в CBS млекопитающих. Дрозофилы и D. discoides были усечены N-терминальные расширения и , следовательно , предотвратить консервативный гистидин и цистеин гем лиганда остатки . Однако последовательность Anopheles gambiae имеет более длинную N-концевую протяженность, чем человеческий фермент, и содержит консервативные остатки лиганда гема гистидина и цистеина, подобные человеческому гему . Следовательно, возможно, что CBS в слизистой плесени и насекомых являются гемопротеинами, что позволяет предположить, что гемовый домен является ранней эволюционной инновацией, возникшей до разделения животных и слизистой плесени. ПЛП является внутренним Альдимин и образует основание Шиффа с K119 в активном сайте. Между каталитическим и регуляторным доменами существует гиперчувствительный сайт, который вызывает протеолитическое расщепление и продуцирует усеченный димерный фермент, который более активен, чем исходный фермент. Как усеченный фермент, так и фермент, обнаруженный в дрожжах, не регулируются adoMet. Дрожжевой фермент также активируется удалением С-конца с образованием димерного фермента.
По состоянию на конец 2007 г. для этого класса ферментов были решены две структуры с кодами доступа 1JBQ и 1M54 .
Ферментативная активность
| цистатионин бета-синтаза | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Гомодимер цистатионин-бета-синтазы, человек
| |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| ЕС нет. | 4.2.1.22 | ||||||||
| № CAS | 9023-99-8 | ||||||||
| Базы данных | |||||||||
| IntEnz | Просмотр IntEnz | ||||||||
| BRENDA | BRENDA запись | ||||||||
| ExPASy | Просмотр NiceZyme | ||||||||
| КЕГГ | Запись в KEGG | ||||||||
| MetaCyc | метаболический путь | ||||||||
| ПРИАМ | профиль | ||||||||
| Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Генная онтология | Amigo / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Транссульфурация, катализируемая CBS, превращает гомоцистеин в цистатионин , который цистатион-гамма-лиаза превращает в цистеин .
CBS занимает центральное место в метаболизме серы у млекопитающих в месте соединения гомоцистеина, где принимается решение сохранить метионин или преобразовать его в цистеин посредством пути транссульфурации . Более того, путь транссульфурации - единственный путь, способный удалять серосодержащие аминокислоты в условиях избытка.
По аналогии с другими β-замещающими ферментами, реакция, катализируемая CBS, предположительно будет включать ряд промежуточных соединений, связанных с adoMet . Добавление серина приводит к реакции трансхиффизации , в результате которой образуется внешний альдимин . В Альдимине подвергается протонной абстракции в альфа-углероде с последующим элиминированием , чтобы генерировать амино- акрилата промежуточного. Нуклеофильная атака тиолатом гомоцистеина на аминоакрилат и репротонирование на Cα генерируют внешний альдимин цистатионина . Конечная реакция трансальдиминирования высвобождает конечный продукт, цистатионин. Конечный продукт, L-цистатионин, также может образовывать аминоакрилатный промежуточный продукт, что указывает на то, что вся реакция CBS обратима.
Измеренное значение V 0 реакции, катализируемой ферментами, как правило, отражает установившееся состояние (где [ES] является постоянным), даже несмотря на то, что V 0 ограничивается ранней частью реакции, и анализ этих начальных скоростей относится к как установившаяся кинетика. Кинетический анализ устойчивого состояния дрожжей CBS дает параллельные линии. Эти результаты согласуются с предложенным механизмом пинг-понга, в котором за связыванием серина и высвобождением воды следует связывание гомоцистеина и высвобождение цистатионина. Напротив, кинетика устойчивого состояния фермента крысиного CBS дает пересекающиеся линии, что указывает на то, что β-заместитель серина не высвобождается из фермента до связывания гомоцистеина.
Одной из альтернативных реакций с участием CBS является конденсация цистеина с гомоцистеином с образованием цистатионина и сероводорода (H 2 S). H 2 S в головном мозге продуцируется CBS из L-цистеина. Этот альтернативный метаболический путь также зависит от adoMet .
Активность фермента CBS обнаруживается не во всех тканях и клетках. Он отсутствует в сердце, легких, яичках, надпочечниках и селезенке у крыс. У людей он отсутствует в сердечной мышце и первичных культурах эндотелиальных клеток аорты человека. Отсутствие CBS в этих тканях означает, что эти ткани не могут синтезировать цистеин и что цистеин должен поступать из внеклеточных источников. Это также предполагает, что эти ткани могут иметь повышенную чувствительность к токсичности гомоцистеина, потому что они не могут катаболизировать избыток гомоцистеина посредством транссульфурации.
Регулирование
Аллостерическая активация CBS с помощью adoMet определяет метаболическую судьбу гомоцистеина . CBS млекопитающих активируется в 2,5-5 раз с помощью AdoMet с константой диссоциации 15 мкМ. AdoMet представляет собой аллостерический активатор, который увеличивает V max реакции CBS, но не влияет на K m для субстратов. Другими словами, AdoMet стимулирует активность CBS, увеличивая скорость оборота, а не связывание субстратов с ферментом. Этот белок может использовать морфеиновую модель аллостерической регуляции .
CBS человека выполняет решающий шаг в пути биосинтеза цистеина , обеспечивая точку регулятивного контроля для AdoMet. Гомоцистеин после метилирования в метионин может быть преобразован в AdoMet, который отдает метильные группы различным субстратам, например нейротрансмиттерам , белкам и нуклеиновым кислотам . AdoMet действует как аллостерический активатор CBS и контролирует его биосинтез: низкие концентрации AdoMet приводят к низкой активности CBS, тем самым направляя гомоцистеин в цикл трансметилирования в направлении образования AdoMet. Напротив, высокие концентрации adoMet направляют гомоцистеин в путь транссульфурации к биосинтезу цистеина .
У млекопитающих CBS представляет собой строго регулируемый фермент, который содержит кофактор гема, который функционирует как окислительно-восстановительный датчик, который может модулировать его активность в ответ на изменения окислительно-восстановительного потенциала. Если покоящаяся форма CBS в клетке содержит гем двухвалентного железа (Fe 2+ ), существует возможность активации фермента в окислительных условиях путем преобразования в состояние трехвалентного железа (Fe 3+ ). Форма фермента Fe 2+ ингибируется при связывании CO или оксида азота, тогда как активность фермента удваивается, когда Fe 2+ окисляется до Fe 3+ . Окислительно-восстановительное состояние гема зависит от pH, при этом окисление Fe 2+ –CBS до Fe 3+ –CBS предпочтительнее в условиях низкого pH.
Поскольку CBS млекопитающих содержит кофактор гема, тогда как ферменты дрожжей и простейших из Trypanosoma cruzi не имеют кофакторов гема, исследователи предположили, что гем не требуется для активности CBS.
CBS регулируется на уровне транскрипции NF-Y , SP-1 и SP-3 . Кроме того, он активируется транскрипционно глюкокортикоидами и гликогеном и подавляется инсулином . Метионин активирует CBS на посттранскрипционном уровне.
Болезнь человека
Синдром Дауна - это заболевание, характеризующееся сверхэкспрессией цистатионин-бета-синтазы (CBS) и низким уровнем гомоцистеина в крови. Было высказано предположение, что сверхэкспрессия цистатионин-бета-синтазы может быть основным виновником этого заболевания (наряду с дисфункцией GabaA и Dyrk1a). Фенотип синдрома Дауна противоположен гипергомоцистеинемии (описанной ниже). Фармакологические ингибиторы CBS были запатентованы Фондом Джерома Лежена (ноябрь 2011 г.), и запланированы испытания (на животных и людях).
Гипергомоцистеинемия - это заболевание, характеризующееся аномально высоким уровнем гомоцистеина в крови. Мутации в CBS являются единственной наиболее частой причиной наследственной гипергомоцистеинемии. Генетические дефекты, которые влияют на ферментные пути MTHFR , MTR и MTRR / MS, также могут способствовать высоким уровням гомоцистеина. Врожденные ошибки в CBS приводят к гипергомоцистеинемии с осложнениями со стороны сердечно-сосудистой системы, что приводит к раннему и агрессивному заболеванию артерий. Гипергомоцистеинемия также влияет на три другие основные системы органов, включая глаз, центральную нервную систему и скелет.
Гомоцистинурия из-за дефицита CBS - особый вид гипергомоцистеинемии. Это редкое наследственное рецессивное аутосомное заболевание, обычно диагностируемое в детстве. Выявлена 131 мутация, вызывающая гомоцистинурию. Общей функциональной особенностью мутаций в доменах CBS является то, что мутации отменяют или сильно снижают активацию adoMet . Специфического лечения гомоцистинурии не найдено; однако многие люди лечатся высокими дозами витамина B 6 , который является кофактором CBS.
Биоинженерия
Цистатионин-бета-синтаза (CBS) участвует в развитии ооцитов . Однако мало что известно о региональных и клеточных паттернах экспрессии CBS в яичниках, и теперь исследования сосредоточены на определении местоположения и экспрессии во время развития фолликулов в яичниках.
Отсутствие цистатионин-бета-синтазы у мышей вызывает бесплодие из-за потери экспрессии белков в матке.
Мутации
Гены, контролирующие экспрессию фермента CBS, могут не работать со 100% эффективностью у людей, у которых есть один из SNP ( однонуклеотидный полиморфизм , более известный как мутации ), который влияет на этот ген. Известные варианты включают SNP A360A, C699T, I278T, N212N и T42N (среди прочих). Эти SNP, которые по-разному влияют на эффективность фермента, могут быть обнаружены стандартными методами тестирования ДНК.
Смотрите также
использованная литература
дальнейшее чтение
- Краус Дж. П. (1994). «Лекция Комровера. Молекулярные основы выражения фенотипа при гомоцистинурии». J. Inherit. Метаб. Дис . 17 (4): 383–90. DOI : 10.1007 / BF00711354 . PMID 7967489 . S2CID 42317828 .
- Краус Дж. П., Яносик М., Козич В. и др. (1999). «Мутации цистатионин-бета-синтазы при гомоцистинурии». Гм. Мутат . 13 (5): 362–75. DOI : 10.1002 / (SICI) 1098-1004 (1999) 13: 5 <362 :: AID-HUMU4> 3.0.CO; 2-K . PMID 10338090 .
- Джонс А.Л. (1999). «Локализация и взаимодействия хантингтина» . Филос. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci . 354 (1386): 1021–7. DOI : 10.1098 / rstb.1999.0454 . PMC 1692601 . PMID 10434301 .
- Гриффитс Р., Тадболл Н. (1977). «Молекулярный дефект в случае (цистатионин бета-синтазы) -дефицитной гомоцистинурии» . Евро. J. Biochem . 74 (2): 269–73. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1977.tb11390.x . PMID 404147 .
- Краус Дж, Пакман С., Фаулер Б., Розенберг Л.Е. (1978). «Очистка и свойства цистатионин бета-синтазы из печени человека. Доказательства идентичных субъединиц» . J. Biol. Chem . 253 (18): 6523–8. DOI : 10.1016 / S0021-9258 (19) 46963-9 . PMID 681363 .
- Longhi RC, Fleisher LD, Tallan HH, Gaull GE (1977). «Дефицит цистатионин-бета-синтазы: качественная аномалия дефицитного фермента, модифицированная терапией витамином B 6 » . Педиатр. Res . 11 (2): 100–3. DOI : 10.1203 / 00006450-197702000-00003 . PMID 840498 .
- Козич В., Краус Дж. П. (1993). «Скрининг мутаций путем экспрессии сегментов кДНК пациента в E. coli: гомоцистинурия из-за дефицита цистатионин-бета-синтазы». Гм. Мутат . 1 (2): 113–23. DOI : 10.1002 / humu.1380010206 . PMID 1301198 . S2CID 36663527 .
- Münke M, Kraus JP, Ohura T, Francke U (1988). «Ген цистатионин-бета-синтазы (CBS) отображается в субтеломерной области на хромосоме 21q человека и в проксимальной хромосоме 17 мыши» . Являюсь. J. Hum. Genet . 42 (4): 550–9. PMC 1715237 . PMID 2894761 .
- Ху Ф.Л., Гу З., Козич В. и др. (1994). «Молекулярные основы дефицита цистатионин-бета-синтазы при пиридоксин-зависимой и невосприимчивой гомоцистинурии». Гм. Мол. Genet . 2 (11): 1857–60. DOI : 10.1093 / HMG / 2.11.1857 . PMID 7506602 .
- Сперандео М.П., Панико М., Пепе А. и др. (1995). «Молекулярный анализ пациентов, страдающих гомоцистинурией из-за дефицита цистатионин-бета-синтазы: отчет о новой мутации в экзоне 8 и делеции в интроне 11». J. Inherit. Метаб. Дис . 18 (2): 211–4. DOI : 10.1007 / BF00711769 . PMID 7564249 . S2CID 40407615 .
- Шассе Дж. Ф., Пали Э., Пэрис Д. и др. (1995). «Геномная организация гена цистатионин-бета-синтазы человека: доказательства различных кДНК». Biochem. Биофиз. Res. Commun . 211 (3): 826–32. DOI : 10.1006 / bbrc.1995.1886 . PMID 7598711 .
- Ши В.Е., Фрингер Дж. М., Манделл Р. и др. (1995). «Миссенс-мутация (I278T) в гене цистатионин-бета-синтазы, преобладающая при пиридоксин-чувствительной гомоцистинурии и ассоциированная с мягким клиническим фенотипом» . Являюсь. J. Hum. Genet . 57 (1): 34–9. PMC 1801250 . PMID 7611293 .
- Kluijtmans LA, Blom HJ, Boers GH и др. (1995). «Две новые миссенс-мутации в гене цистатионин-бета-синтазы у пациентов с гомоцистинурией». Гм. Genet . 96 (2): 249–50. DOI : 10.1007 / BF00207394 . PMID 7635485 . S2CID 6642338 .
- Себастио Г., Сперандео М.П., Панико М. и др. (1995). «Молекулярная основа гомоцистинурии из-за дефицита цистатионин-бета-синтазы в итальянских семьях и отчет о четырех новых мутациях» . Являюсь. J. Hum. Genet . 56 (6): 1324–33. PMC 1801112 . PMID 7762555 .
- Мрамор М., Герати М. Т., де Франчис Р. и др. (1995). «Характеристика аллеля цистатионин-бета-синтазы с тремя мутациями цис у пациента с невосприимчивой гомоцистинурией B 6 ». Гм. Мол. Genet . 3 (10): 1883–6. DOI : 10.1093 / HMG / 3.10.1883 . PMID 7849717 .
- Краус Дж. П., Ле К., Сваруп М. и др. (1994). «КДНК цистатионин-бета-синтазы человека: последовательность, альтернативный сплайсинг и экспрессия в культивируемых клетках». Гм. Мол. Genet . 2 (10): 1633–8. DOI : 10.1093 / HMG / 2.10.1633 . PMID 7903580 .
- de Franchis R, Kozich V, McInnes RR, Kraus JP (1995). «Идентичные генотипы братьев и сестер с разными гомоцистинурическими фенотипами: идентификация трех мутаций в цистатионин-бета-синтазе с использованием улучшенной бактериальной системы экспрессии». Гм. Мол. Genet . 3 (7): 1103–8. DOI : 10.1093 / HMG / 3.7.1103 . PMID 7981678 .
- Крюгер В.Д., Кокс Д.Р. (1994). «Дрожжевая система для экспрессии цистатионин-бета-синтазы человека: структурная и функциональная консервация генов человека и дрожжей» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 91 (14): 6614–8. Bibcode : 1994PNAS ... 91.6614K . DOI : 10.1073 / pnas.91.14.6614 . PMC 44253 . PMID 8022826 .
- Козич В., де Франчис Р., Краус Дж. П. (1993). «Молекулярный дефект у пациента с пиридоксин-зависимой гомоцистинурией». Гм. Мол. Genet . 2 (6): 815–6. DOI : 10.1093 / HMG / 2.6.815 . PMID 8353501 .
